一种提升标准样板质量方法的研究.pdf

882024年1月下 第02期 总第422期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview0 引言标准样板作为粗糙度测量仪器的计量标准器，其粗糙度指标 Ra 值一直具有较高的要求，标准样板的合格率一直较低，一般生产厂家不超过 50%。标准样板的生产一般包括粗加工、精抛、镀膜、复制和刻字等工序。其中，粗加工、精抛、镀膜等工序的合格率在 90%以上；而复制工序的合格率不到 51%。因此，提高复制工序的合格率是提高标准样板总体质量的关键。1 标准样板生产现状对不同的两批次标准样板复制工序生产数量和合格数量情况进行统计，复制工序合格率最高不超过 51%，具体统计情况见表 1。表1 标准样板复制工序合格率统计生产数合格数合格率第一批次23110947.1%第二批次25212850.8%合计48323749.1%复制工序的不合格品可分为两大类，一类是外观不合格，包括工作区划伤超差、工作区有疵病及非工作区划伤超差；另一类是实测值（Ra 值）不合格，包括 Ra 值均匀性超差、Ra 实测值超出标称值上限或下限。对两批次样板复制工序产生的共 246 块不合格产品进行分类统计，具体情况见表 2，由表 2 可以看出复制工序产生不合格品的主要原因是“工作区有疵病”。2 影响标准样板质量的主要因素2.1 影响标准样板质量的原因从两批次产品中发生的不合格品来看，复制工序的不合格品可分为两大类，一类是外观不合格，包括工作区划伤超差、工作区有疵病及非工作区划伤超差；另一类是实测值（Ra 值）不合格，包括均匀超差、实测值超出标称值上限或下限。复制工序涉及清洗、光刻胶涂覆、显影、收稿日期：2023-12-06作者简介：李开（1981），女，吉林长春人，硕士研究生，工程师，研究方向：测控技术。一种提升标准样板质量方法的研究李开（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：标准样板作为粗糙度测量仪器的计量标准器，其质量对粗糙度计量领域具有重要影响。随着市场上粗糙度测量仪器类型、种类及规格的不断增多，对标准样板的规格及精度需求也更加多样，同时也对其生产质量提出了更高的要求。基于此，对影响标准样板质量的工艺原因进行分析，通过分析标准样板工艺过程中各工序对质量的影响，找出主要影响因素，并针对主要因素提出改进设备特性、提升复制准备阶段控制和优化后烘工艺过程等解决措施，达到提高标准样板质量的目的。关键词：标准样板；工艺过程；质量中图分类号：TH715文献标识码：A文章编号：1671-2064(2024)02-0088-03表2 复制工序不合格品分项目分类统计序号不合格分类不合格项目数量A外观工作区有疵病221B工作区划伤超差10C非工作区划伤超差0D实测值散发值超差10E实测值超出标称值上限或下限5图1 标准样板复制工序不合格品原因分析树图造成复制不合格的原因外观不合格实测值不合格工作区划伤超差工作区右疵病非工作区划伤超差散发值超差实测值超出标称值上限或下限工作面与硬物接触气泵所处气体含有杂质、溶液后烘时含有溶剂过多烘烤时光刻胶所含溶剂多光刻胶不在有效期内灰尘落在工作区内掩模版有短线刻蚀铬不均匀刻蚀样板基底时间不固定刻蚀溶液配比不固定刻蚀样板基底时操作不当刻蚀样板基底温度不固定工作面与硬物接触有892024年1月下 第02期 总第422期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview后烘、修版、烘烤和腐蚀等工步，任何一个工步出现问题都会影响产品的最终质量。从图 1 复制工序不合格品分项目排列图中可以看出，工作区有疵病占不合格项的 90%，是影响复制工序一次交验合格率的主要问题。针对“标准样板复制工序一次交验合格率低”的原因认真分析，经汇总后绘制树状图，如图 1 所示。2.2 主要因素确定标准样板的复制工艺过程包括光刻胶的涂敷、曝光、显影、后烘、蚀刻铬层、烘烤、蚀刻基地材料、清洗等工步1。其复制工艺过程较为复杂，各个工艺环节互相影响、互相制约。在标准样板生产过程中，产品是由具有很好保护作用的包装盒在各个工步中进行流转，操作者具有多年的生产经验，除偶然事件外，不会使工作面与硬物接触从而造成工作区划伤。2.2.1 显影过程分析显影是将经过曝光的样板浸没在特定的显影液中，把需要蚀刻部位的光刻胶进行溶解的过程，起到将掩模版上的图案转移到基底的作用。选用正型光刻胶2-3，用碱性溶液将曝光部分的光刻胶溶解掉，光刻胶的溶解过程在液体和固体的界面进行，液体分子从固体表面向胶膜间隙扩散。显影后样板表面会含有一定的溶剂。蚀刻铬是将样板置于特定的腐蚀液中，把没有光刻胶部分的铬去除掉的过程4。在蚀刻铬后样板表面含有一定的溶剂。在显影和蚀刻铬后用小型空压机对产品表面进行吹干处理，以去除部分溶液。由于小型空压机在连续使用时会有微量的溶液和杂质进入小型空压机的储气腔内，腔内的溶液和杂质含量会随小型空压机使用时间的增长而增多。使用一段时间后，小型空压机释放的气体会含有一定的溶液和杂质。含有杂质和溶液的气体在吹干样板表面时，会造成样板表面干燥程度不一致，在后续的基底蚀刻中造成蚀刻速度不一致，造成样板工作区域内有疵病。因此，显影和蚀刻铬后小型空压机所出气体含有杂质和溶液是影响产品质量的主要因素。2.2.2 后烘过程分析后烘是将显影、漂洗后的基底进行烘焙，可以起到提高光刻胶的抗蚀刻能力5-6。样板显影后需要对产品进行后烘处理。显影后产品表面和光刻胶内溶剂较多，显影后立刻后烘，到达设定温度后立即关闭后烘设备，产生的蒸气不能及时排出后烘设备，在温度下降后，气体溶剂又以不均匀的状态返回样板表面，造成玻璃蚀刻后样板工作区域有疵病。而烘烤是在修版后进行的，为了保证非蚀刻表面得到较好的保护，在修版时要求光刻胶涂覆所有非蚀刻表面，且涂覆速度快，进而造成光刻胶厚度大，溶剂含量比显影还要多。烘烤时光刻胶所含溶剂多，烘烤和后烘使用同一设备完成，使烘烤和后烘存在同样的问题。因此，后烘时光刻胶所含溶剂多和烘烤时光刻胶所含溶剂多是影响样板质量的主要因素。2.2.3 复刻过程分析复刻工艺过程包含基底清洗准备阶段、光刻胶涂覆、曝光、显影、后烘、刻蚀铬、修版和蚀刻基底等工步，整个复刻工艺过程将掩膜版上的图案转移到基底上，并将图案在基底上腐蚀特定的深度7。样板复制过程中，在光刻胶涂覆、蚀刻铬和蚀刻基底等工步过程中，在样板的工作区域内出现灰尘，相应出现光刻胶聚集、刻蚀铬不完全、光刻胶聚集处蚀刻速度下降等问题，进而造成被蚀刻区域出现疵病。因此，灰尘落在工作区是影响样板质量的主要因素。2.2.4 蚀刻过程分析蚀刻是将需要蚀刻的基底浸没在腐蚀溶液中，通过化学腐蚀的方式将未被光刻胶掩蔽的部分去除或者腐蚀一定的深度。铬和玻璃蚀刻由经验丰富、操作熟练的技术人员严格按照工艺要求进行操作，每次光刻胶涂覆前会确认光刻胶的质量，确保光刻胶在有效期内才能进行光刻胶涂覆。在样板光刻时，会在显微境下确认现使用的光刻母版质量，掩膜版出现断线时会及时更换新的掩膜版，因此不存在因掩膜版断线而造成样板工作区疵病的问题。经过对树图所显示的各个末端原因进行分析验证，得出小型空压机释放的气体含有杂质和溶液、后烘时光刻胶所含溶剂多、烘烤时光刻胶所含溶剂多和灰尘落在工作区是影响产品质量的主要因素。工作面与硬物接触、光刻胶不在有效期内、母板断线、非工作面与硬物接触、蚀刻铬不均匀、蚀刻基底操作产不当、蚀刻样板基底时温度不固定、蚀刻基底时间不固定、刻蚀溶液配比不固定是影响产品的非主要因素。3 复制工艺过程优化对影响样板生产中复制工序质量的主要因素，即小型空压机所出气体含有杂质和溶液、灰尘落在工作区、后烘时光刻胶内所含的溶剂多和烘烤时光刻胶内溶剂多等，进行逐个攻破，通过增加设备过滤和干燥系统、提升复制准备阶段的控制及优化工艺过程等方面提高产品质量。3.1 改进供气设备显影和蚀刻铬后用小型空压机对表面进行吹干处理时，小型空压机长时间使用后释放的气体含有一定的杂质和溶液，造成样板基底表面干燥程度不一致。因此，选择两种备选方案，即自然干燥和改进设备两种解决方案。样902024年1月下 第02期 总第422期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview板的生产数量在逐年增加，选用自然干燥的方案需要空间大、时间长、费用高，因此这种方案不适用现在的生产工作。现有设备释放的气体含有杂质和溶剂，首先考虑将气体中的杂质过滤，再将过滤后的气体进行干燥处理。在原有小型空压机的出气口增加过滤系统和干燥系统，减少气体内所含的杂质和溶液。3.2 提升清洁控制在光刻胶涂敷前，对样板基底进行处理，这一过程为复制准备阶段。在此阶段，由原来脱脂清洗改为脱脂清洗、超声波清洗、高温处理等。去除样板基底表面水分和杂物的同时，还可以提高光刻胶对基底的附着力。为保证复制准备阶段满足工艺要求，对同批次处理的样板基底进行清洁度抽样检测，保证样板基底表面在光刻胶涂敷时无灰尘、金属、有机物等杂质。3.3 优化后烘和烘烤工艺后烘是将显影、漂洗后的样板进行烘焙，以去除显影、漂洗后的多余溶剂，改善由显影液的浸没造成的光刻胶软化和膨胀，使光刻胶膜致密坚固，进一步提高光刻胶的附着力和抗蚀刻能力，因此此工序必不可少。如果后烘时产品所含溶剂过多，在后烘时会使烘箱内气体过多，不能使气体及时排到室外而回落其工作表面，使表面所含的物质不一致，使工件表面出现云层。为避免后烘时多余蒸气回落到样板基底表面，可以提高后烘温度或增加后烘时间，但是后烘温度过高会造成光刻胶的塑性流动，使图案变形。同时，还会引起光刻胶的分解反应，产生的低分子物质会影响光刻胶的附着能力。为避免因温度骤升或骤降造成光刻胶的剥落、开裂、多余气体回落等问题，将原来采用的“升温-降温”，改为“升温-恒定-升温-恒定-降温”，后烘温度曲线如图 2 所示。后烘温度（）后烘时间（h）室温ab图2 后烘温度曲线针对烘烤时多余蒸气挥发不及时，回落到样板基底表面，造成基底蚀刻速率不均匀的问题，提高烘烤温度，由原来的一次烘烤，改为分阶段烘烤，使蒸气挥发得更充分。烘烤温度曲线如图 3 所示。对复制工艺进行优化后，生产了两个批次共 918 块标准样板，复制工序的合格率达到了 86.2%，标准样板复制工序一次交验合格率由 49.1%提高到了 86.2%（见表 3）。表3 两批次标准样板复制工序一次交验合格率统计生产数合格数合格率第一批次54046385.7%第二批次37832886.8%合计91879186.2%4 结语本文概述了标准样板的加工方法，通过优化复制工艺过程使标准样板的一次交验合格率从 49.1%提高到86.2%，基本满足了目前市场对标准样板规格、质量和数量的需求。随着粗糙度测量仪器测量范围的不断扩大、精度的不断提高，对标准样板技术指标要求不断提高，标准样板的加工工艺细节、工艺流程还有很大的提升空间。参考文献1 光学零件工艺手册编写组.光学零件工艺手册M.北京:国防工业出版社,1977.2 顾振军,孙猛.抗蚀剂及其微细加工技术M.上海:上海交通大学出版社,1989.3 Abe T,Arikado T,Takigawa T.Resist Heating in Excimer Laser LithographyJ.Journal of Applied Physics,1988,63(4):1235-1237.4 中国科学院化学研究所.光致抗蚀剂-光刻胶M.北京:科学出版社,1977.5 唐雄贵,姚欣,郭永康,等.烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响J.微细加工技术,2005(3):31-35.6 S.Ficncr,R.1L Dammel and Y.Perez,Refractive Indices in Thick Photoresist Films as a Function of Bake Conditions and Film ExposureJ.SPIE,V01.3049,1997(838-/849).7 罗铂靓,杜惊雷,唐雄贵,等.用于微器件加工的AZ4620厚胶光刻工艺研究J.半导体技术,2005(7):34-38.（下转第 108 页）烘烤时间（h）烘烤温度（）常温一次性烘烤阶段性烘烤图3 烘烤温度曲线1082024年1月下 第02期 总第422期工程设计施工与管理China Science&Technology Overview将注浆压力参数控制在 0.5 1.0MPa 的范围内4。2.6 结构抽换技术结构抽换技术也是治理隧道裂缝病害的重要技术之一，主要是拆除原有隧道的衬砌混凝土，再将新的衬砌混凝土补充上去，实际抽换的范围为全断面、拱墙或拱部等。通常情况下，原来的衬砌混凝土已经失去使用功能，整个外观也呈现纵横交错的裂缝，其中纵向裂缝占比较多，裂缝的宽度参数较大，可能还会出现剥落、错台等问题5。因此，为了保证隧道的施工质量，解决衬砌裂缝问题，施工人员需要根据实际情况合理应用结构抽换技术。在实施衬砌混凝土的过程中，必须确保混凝土符合抽换地段的地质条件和受力要求，抽换后混凝土的性能往往强于原有衬砌混凝土，例如厚度增加、等级提高等。当开展结构抽换施工时，施工人员需要先架设门型钢架支撑，进一步抑制衬砌裂缝的扩大，为施工人员提供足够安全的施工作业平台6。对于软弱围岩地带的裂缝问题，施工人员需要优先加固围岩，有效避免拆除过程中发生隧道塌方的事故。在实际拆除阶段，施工人员可以采用微震控制爆破技术对原衬砌混凝土进行拆除，针对拆除区域与非拆除区域相接的位置，施工人员可以采用预裂爆破技术，避免对非拆除区域的破坏。此外，完成拆除工作后，施工队伍需要在周围设置专门的支护措施7。3 结语随着经济的发展，高速公路建设飞速发展，对我国的交通行业起到一定的促进作用。公路隧道的施工受到各种因素的影响，出现裂缝病害问题，将会严重影响公路隧道工程的整体质量。为了解决隧道裂缝病害问题，施工队伍需要对现有施工技术进行创新，采取有效的治理措施解决隧道裂缝问题，减少裂缝病害对隧道结构的破坏，提高隧道工程建设的整体水平，满足我国交通发展的需求。参考文献1 姬彬波.运营中的高速公路隧道衬砌裂缝病害处治技术探索J.价值工程,2023,42(9):125-127.2 田奎.隧道结构裂缝病害治理方法研究J.工程建设与设计,2022(6):62-64.3 冯金义,宋君萍,廖岳泰,等.甘肃某高速公路隧道二衬裂缝成因及整治技术研究J.中国建材科技,2020,29(1):87-89.4 敖小兵.高速公路隧道衬砌裂缝病害及其整治措施J.中国高新科技,2018(10):83-85.5 李明镜.探讨高速公路隧道渗漏水病害的治理J.中国科技纵横,2010(9):123,125.6 范世龙.铁路运营隧道病害整治技术J.门窗,2013(3):189-190.7 王斌彬,阳潜.城市运营隧道结构病害成因分析及治理建议J.中国新技术新产品,2022(15):131-133.Discussion on the Treatment of Tunnel Structural Crack DiseaseYANG Huai(China Railway 11th First Group Fifth Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400000)Abstract:Compared with other engineering,tunnel engineering is affected by geological environment in our country,more challenging,complex and technical,tunnel structure crack diseases of the frequency is also relatively high,therefore,in order to improve the tunnel construction quality,the construction team must solve the tunnel structure crack problem.This paper mainly analyzes the causes of tunnel structural crack disease,and analyzes the effective measures of tunnel structural crack disease management,so as to provide reference for the subsequent development and research of highway tunnel.Key words:tunnel structure;cracks;disease;treatment measureResearch on a Method to Improve the Quality of Standard TemplateLI Kai(AVIC Chang cheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing 100095)Abstract:As a measuring standard of roughness measuring instrument,the quality of standard template has an important impact on the field of roughness measurement.With the increasing of the types,types and specifications of the roughness measuring instruments on the market,the requirements for the specifications and accuracy of the standard template are more diverse,and higher requirements are also put forward for its production quality.This paper analyzes the process reasons affecting the quality of the standard template,finds out the main influencing factors by analyzing the impact of each process on the quality of the standard template,and puts forward the solution measures to improve the equipment characteristics,improve the control of the copy preparation stage and optimize the post-drying process according to the main reasons,to achieve the purpose of improving the quality of the standard template.Key words:standard template;craft process;quality（上接第 90 页）